秸稈資源預(yù)處理研究進(jìn)展

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人類(lèi)社會(huì)對(duì)能源的需求越來(lái)越多，能源及能量飼料的短缺已經(jīng)成為世界各國(guó)面臨的一個(gè)重大問(wèn)題。合理利用秸稈資源能夠?qū)崿F(xiàn)可再生資源的利用，緩解能源危機(jī)，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，是國(guó)家發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)。然而，植物細(xì)胞壁的復(fù)雜結(jié)構(gòu)限制了其在畜牧業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。物理處理是秸稈資源利用的基本方法，酸堿等化學(xué)處理是畜牧業(yè)生產(chǎn)中常用的預(yù)處理方法，蒸汽爆破預(yù)處理可以提高動(dòng)物對(duì)谷物秸稈的消化率。生物處理是一種安全、環(huán)境友好的有效預(yù)處理方法。因此，采用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理方法在秸稈資源的利用過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。本文分析了秸稈資源的現(xiàn)狀及營(yíng)養(yǎng)特性，并探討了國(guó)內(nèi)外秸稈資源的預(yù)處理方法，為秸稈資源的開(kāi)發(fā)利用及節(jié)糧型畜牧業(yè)的發(fā)展提供參考。

1.秸稈資源現(xiàn)狀

木質(zhì)纖維素類(lèi)生物資源是世界上最多的可再生資源，全世界每年的產(chǎn)量估計(jì)為1010噸，其中秸稈占可利用生物質(zhì)產(chǎn)量的70%左右。在中國(guó)，農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量為8.42×108噸，而且以1.3%的速度遞增，在農(nóng)作物秸稈中玉米秸稈所占的比例最大，為24%，目前國(guó)內(nèi)秸稈中，直接用作生活燃料的約占20%，用作肥料還田的約占15%，用作飼料的約占15%，用作工業(yè)原料的約占2%，其余被廢棄或直接燃燒的約占48%，這造成了極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者對(duì)秸稈資源經(jīng)濟(jì)有效的利用方法進(jìn)行了大量研究，但到目前為止，國(guó)內(nèi)對(duì)秸稈資源在飼料中的應(yīng)用研究相對(duì)較少。

2.秸稈的生物質(zhì)特性及營(yíng)養(yǎng)組成

2.1 秸稈的生物質(zhì)特性 木質(zhì)纖維素由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大類(lèi)主要的聚合物組成。一般條件下，纖維素不易溶于水、有機(jī)溶劑、堿以及稀無(wú)機(jī)酸溶液，僅在不加熱的條件下用濃無(wú)機(jī)酸處理，或者在高溫高壓條件下，用稀無(wú)機(jī)酸處理，纖維素才被分解為單糖。半纖維素是一類(lèi)復(fù)雜的碳水化合物的組成結(jié)構(gòu)，草類(lèi)和秸稈中的主要半纖維素是木聚糖，木材中的主要半纖維素是葡甘露聚糖。在細(xì)胞壁中半纖維素位于許多纖維素和木質(zhì)素之間，組成纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的緊密結(jié)構(gòu)。半纖維素在酸性和堿性環(huán)境中最容易被提取，而葡甘露聚糖在酸性環(huán)境下幾乎不能被提取出來(lái)，必須在強(qiáng)堿的作用下才能分離。在木質(zhì)纖維素的所有結(jié)構(gòu)中，半纖維素是對(duì)熱化學(xué)因素最敏感的成分。木質(zhì)素在植物細(xì)胞壁中的含量?jī)H次于纖維素和半纖維素，是一類(lèi)由苯丙烷結(jié)構(gòu)單元組成的無(wú)定型復(fù)雜復(fù)合物，木質(zhì)素在植物細(xì)胞壁中起著結(jié)構(gòu)支撐，保持細(xì)胞壁的不通透性，抵抗微生物攻擊和抗氧化等作用，所有這些特性，使木質(zhì)素成為植物細(xì)胞壁中最難降解的成分。木質(zhì)素和半纖維素形成牢固結(jié)合層，緊緊地包圍著纖維素，阻礙酶和其他物質(zhì)與纖維素的接觸。因此，在木質(zhì)纖維素的預(yù)處理過(guò)程中，木質(zhì)素的去除是非常重要的。

2.2 秸稈的營(yíng)養(yǎng)組成 秸稈是脫粒后成熟植株的殘余物。當(dāng)植物成熟時(shí)，在莖和葉中只剩下少量的蛋白質(zhì)、脂肪、類(lèi)脂肪和易消化的碳水化合物，家畜營(yíng)養(yǎng)所必須的各種礦物質(zhì)的含量顯著減少。維生素，特別是胡蘿卜素幾乎全部被破壞。未經(jīng)處理的秸稈適口性較差，體積較大，且動(dòng)物的消化利用率較低。秸稈的化學(xué)成分主要是纖維性物質(zhì)，以干物質(zhì)計(jì)，中性洗滌纖維（ND）約為70%～80%，酸性洗滌纖維（ADF）約為50%～60%，粗蛋白含量約為3%～6%。

3.秸稈資源的預(yù)處理研究進(jìn)展

秸稈預(yù)處理的目的是提高秸稈的消化率，使其在水解過(guò)程中能夠釋放出較多的糖類(lèi)。目前，許多秸稈預(yù)處理方法已經(jīng)被研究和應(yīng)用，秸稈預(yù)處理過(guò)程要求能夠有效提高秸稈的消化率并且產(chǎn)生較少的抑制因子。秸稈的處理方法有物理處理、化學(xué)處理、物理化學(xué)綜合處理和生物處理法，在實(shí)際生產(chǎn)中通常采用不同方法的組合來(lái)獲得最大的糖釋放量、最低的毒素產(chǎn)量和能量消耗。

3.1 物理處理 物理處理能夠降低秸稈的尺寸，提高秸稈的可接觸面積，降低秸稈纖維素的晶度和聚合度，提高后處理過(guò)程的效率。物理預(yù)處理方法包括機(jī)械粉碎處理、熱處理、微波處理等。機(jī)械粉碎是降低秸稈尺寸的最基本的預(yù)處理步驟，能夠有效提高后續(xù)處理的效率，粉碎處理通常是切斷、粉碎和磨碎等綜合處理，處理后的最終尺寸不盡相同。秸稈的水分含量、成分以及最終粉碎的尺寸均影響能量的需要和后續(xù)處理效率，原料的水分含量越高，粉碎的尺寸越小，需要消耗的能值越高；熱處理是秸稈預(yù)處理的常用方法。熱處理的溫度超過(guò)150℃～180℃，秸稈中的物質(zhì)開(kāi)始溶解，半纖維素首先釋放出來(lái)，接著部分木質(zhì)素也開(kāi)始溶解；微波作為一種方便、高效和清潔的能源，不同于傳統(tǒng)的熱處理方法，對(duì)于某些化學(xué)反應(yīng)可以大幅提高反應(yīng)速度，已廣泛地用于有機(jī)合成、化學(xué)催化及高分子聚合等反應(yīng)過(guò)程。運(yùn)用微波對(duì)植物纖維原料進(jìn)行預(yù)處理可降解木質(zhì)素和半纖維素，改變植物纖維原料超分子結(jié)構(gòu)，使纖維素結(jié)晶區(qū)尺寸發(fā)生變化，提高植物纖維素酶的水解效率。

3.2 化學(xué)處理 秸稈的化學(xué)預(yù)處理包括酸處理、堿處理以及H2O2和SO2等氧化劑的處理。在所有這些方法中稀H2SO4預(yù)處理是被廣泛應(yīng)用的方法。酸處理的主要目的是轉(zhuǎn)化半纖維素，使纖維素更易被酶解。酸處理有稀酸處理和濃酸處理2種。濃酸處理可以在室溫下進(jìn)行，得到較高的糖產(chǎn)量，但是濃縮處理過(guò)程產(chǎn)生抑制因子，影響后續(xù)反應(yīng)，加上樣品中較高濃度的酸和設(shè)備腐蝕等，極大地限制了該處理方法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。稀酸處理使一些木糖類(lèi)等主要的半纖維素溶解，并且轉(zhuǎn)化為可溶性糖類(lèi)。然而，在稀酸水解過(guò)程中，半纖維素在較低的溫度下可以發(fā)生解聚，抑制后續(xù)發(fā)酵過(guò)程中微生物的生長(zhǎng)；用于堿處理的堿包括氫氧化鈉、氫氧化鈣、氫氧化鉀和氨水等，氫氧化鈉是所有堿處理試劑中研究最多的，是玉米秸稈預(yù)處理的最佳方法。但氫氧化鈉在實(shí)際生產(chǎn)中的使用成本相對(duì)較高，而且對(duì)動(dòng)物生產(chǎn)存在一定的安全隱患。氫氧化鈣也是廣泛應(yīng)用的一種堿處理試劑，能夠去除秸稈中的木質(zhì)素，提高秸稈的結(jié)晶度，通過(guò)去除秸稈中的木質(zhì)素提高纖維素的可接近度和酶的作用效果。但實(shí)際生產(chǎn)研究結(jié)果表明，隨著時(shí)間的增加，經(jīng)氫氧化鈣預(yù)處理的秸稈容易受到霉菌的污染；氧化劑處理。木質(zhì)纖維素在H2O2和過(guò)乙酸等氧化劑的作用下能夠發(fā)生氧化降解作用，去除其中的木質(zhì)素和半纖維素，使纖維素容易被酶和微生物作用。但氧化劑的作用通常沒(méi)有選擇性，在木質(zhì)素被氧化的同時(shí)，纖維素和半纖維素通常也有一定的損失，并且木質(zhì)素被氧化的同時(shí)也產(chǎn)生一些酚類(lèi)化合物，抑制后續(xù)的生物轉(zhuǎn)化。

3.3 物理化學(xué)綜合處理 木質(zhì)纖維素成分的降解與溫度、pH值和壓力等因素有關(guān)，是物理化學(xué)因素綜合作用的結(jié)果。許多的熱處理都屬于物理化學(xué)綜合處理，在熱處理中，如果室溫升到150℃～180℃以上，在木質(zhì)纖維素的成分中，半纖維素（主要包括木聚糖和葡甘露聚糖）是對(duì)熱最敏感的成分，首先開(kāi)始降解，然后是木質(zhì)素開(kāi)始溶解，一部分半纖維素被水解并形成酸性物質(zhì)，這些酸進(jìn)一步催化半纖維素的水解。熱處理在降解半纖維素的同時(shí)，會(huì)降解一部分的木質(zhì)素，產(chǎn)生的降解復(fù)合物通常包括酚類(lèi)物質(zhì)，這些物質(zhì)在許多情況下是細(xì)菌、酵母等其他微生物生長(zhǎng)的抑制因子。蒸汽爆破、液體熱水處理和酸堿的熱處理是常用的物理化學(xué)綜合處理方法。

3.4 生物處理 生物處理與其他預(yù)處理方法相比，消耗較少的化學(xué)物質(zhì)和能量，是一種生物安全、環(huán)境友好的秸稈處理方式，目前很多的研究都在尋求一種可控制的、快速有效的生物處理方法。微生物發(fā)酵處理。用微生物來(lái)提高秸稈的質(zhì)量是很有前景的秸稈處理方法。在自然界中有許多細(xì)菌和真菌可以利用天然的木質(zhì)纖維素類(lèi)；酶水解處理。酶水解纖維素通常具有高度的針對(duì)性，纖維素被水解后，通常會(huì)產(chǎn)生葡萄糖等一些糖類(lèi)物質(zhì)，酶類(lèi)發(fā)酵秸稈通常可以在比較溫和的條件下進(jìn)行，和酸堿處理秸稈相比，成本較低且不會(huì)腐蝕機(jī)器設(shè)備。

4.小結(jié)

綜上所述，所有這些處理的最終目的是降低秸稈中的木質(zhì)素和半纖維素的含量，降低纖維素的結(jié)晶度，使酶和微生物更容易接近纖維，從而提高酶的水解效率。這些不同的處理方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好的綜合處理方法對(duì)秸稈飼料資源的規(guī)?；_(kāi)發(fā)具有重要的意義。